Биологический каталог




Гиперцикл. Принципы организации макромолекул

Автор М.Эйген, П.Шустер

). Это исчерпало все возможности кодирования для кода RNY. Чтобы эволюция генетического кода могла продолжаться, необходимо было отказаться от ограничения неперекрывающихся рамок. Теперь стала необходимой адаптация рибосомных предшественников.

XIV.4. Первичный алфавит аминокислот

Первичные распространенности различных аминокислот могут быть оценены очень надежно. Основные указания, необходимые для оценки вероятностей синтеза этих соединений в первичных условиях, дают уже их структура и состав. На рис. 51 приведена «родословная» первых 12 неполярных алифатических аминокислот, а также несколько ветвей, показывающих родственные отношения для простейших полярных боковых цепей. При рассмотрении этой схемы возникают интересные вопросы, касающиеся выбора Природой белкового алфавита.

Две простейшие аминокислоты —глицин и ала-нин — являются «природными». Видимо, требования гидрофобного взаимодействия легче было выполнить, добавив некоторые высшие гомологи — такие, как валин, лейцин и изолейцин. Возможно, этот выбор был случайным, а может быть, на него повлияли дискриминирующие взаимодействия с имеющимися адапторами. Среди полярных соединений мы обнаруживаем некоторые алифатические карбоновые кислоты (аспарагиновая и глутаминовая кислота), а также спирты (серии и треонин), но не соответствующие амины (а, р-диаминопропионовая кислота и а, 7-диа-миномасляная кислота). Из двадцати «природных» аминокислот появляется только второй следующий гомолог (лизин), в то время как интермедиат (ор-нитин) представлен лишь в следовых количествах. Это может объясняться тем, что после активации второй аминогруппы происходит образование лактама или элиминация, которая обрывает полимеризацию. Более того, наличие второй аминогруппы может привести к разветвлению полипептидной цепи (хотя такой же аргумент можно привести и в отношении карбоксильных групп). Для первых функциональных компонентов наличие положительно заряженных боковых депей вполне могло быть необязательным. Даже в воде современных морей концентрация Mg2+ достаточно высока (~50 мМ), чтобы вызвать заметное комплексообразование с карбоксильными группами. При восстановительных условиях в океанах могло быть растворено еще больше двухвалентных ионов (например, Fe2+). Такие ионы металлов, связанные с карбоксильными группами и все-таки сохра-циршие свободные координирующие сайты, особенно

CHfc

нгн~Ы

03% сНз

си2

H2N-CH СООН'

сн,

сн2 н2м-сн

СООН0%

9"з сн2

сн2

H2N-C-CH3 СООН

03*/.

СНз

сн2

H2N-C-CHj СООН

Шовалин

wu

15%

СН)

н2м-с-снэ

СООН

аллоизолейци'н

н

нгм-ся

СООН

Глицин

Рис. 51. Генеалогия первых алифатических аминокислот и не-Числа в левом верхнем углу каждого прямоугольника — это вичных условиях по Миллеру [63] (т. е. молярный выход аминокислот, перечисленных в табл. 7—2, с. 87 упомянутой нокислотам, выделены.

но-сн2

CHj

сн9

I *

сн2

HjN-CH

соон

но-сн, сн, сн,

HjN-CH

соон

СНз

сн,

сн, сн2

H2N-CH '

_соон Норлрицин

г/.

сн3

CHj CHj H,N-CH

соон Норвалин

оос- сн, сн, сн, сн2

H2N-CH

соон

"оос- сн2

сн2

сн,

HjN- сн

соон

'off.

сн3

H2N-CH С ООН

Треонин1^

но-сн2 сн2 н2ы-сн соон сн,

сн2

H2N-CH

соон a-Afifu/fff-n~оос-снг снг

HjjN-CH

соон

Глутамино-кишта

0,3%

но-сн2 н2м-сн соон

41%

сн3 н2м-сн соон

Алании

2%

"оос-сна

HZN-CH СООН

Аспарагино-ш кислота озгь

+ H3N-CH2 H2N-CH

соон

щюпшноаая \ \к-та

^Вклюн. аллогпреоиин

н

H2N-CH

соон Глицин

которые ветви для простейших полярных боковых цепей, относительные выходы соответствующих соединений в пер-данной аминокислоты, деленный на сумму выходов всех работы). Прямоугольники, соответствующие природным амиважны для облегчения взаимодействий между ранними белками и (отрицательно заряженными) поли-нуклеотидами. С этой точки зрения боковые цепи, содержащие отрицательно заряженные лиганды, кажутся более необходимыми, чем боковые цепи с положительными зарядами.

«Природные» аминокислоты, не представленные на рис. 51, имеют значительно более сложные боковые цепи, и поэтому их концентрации в первичном бульоне были сравнительно низки.

Предположения, основанные на данных о структуре и составе аминокислот, великолепно согласуются с результатами экспериментов, имитирующих предбиологический синтез указанных соединений (Миллер и др.; см. обзор в [63]). Выходы, полученные для природных аминокислот (как впрочем и для других ветвей генеалогического древа), примерно соответствуют величинам, ожидаемым из чисто химических данных (см. численные значения на рис. 51); в ходе этих экспериментов было выявлено также много других интересных деталей. Более того, эти результаты находятся в хорошем согласии с данными, полученными из анализа метеоритов [69, 70], которые отражают встречаемость аминокислот в межзвездном пространстве. Табл. 16 содержит сводку данных (взятых из работы [63]), имеющих отношение к предмету нашей дискуссии.

Первичный бульон без сомнения был очень богат глицином и аланином. В опытах Миллера эти аминокислоты образуются примерно в двадцатикратном избытке по сравнению с любой другой природной аминокислотой. Следующие два места на шкале распрост-раненностей природных аминокислот занимают аспа-рагиновая кислота и валин, причем между ними и лейцином, глутаминовой кислотой, серином, изолей-цином, треонином и пролином имеется большой разрыв.

Есть все основания предполагать, что соответствия между кодонами и аминокислотами в действительности возникали в порядке уменьшения распространенностей последних. Если глицин и аланин по своим распространенностям далеко превосходят все другие аминокислоты, то они вполне могли быть заТаблица 16

Выход природных аминокислот при имитации предбиологи-ческого синтеза и содержание их в метеорите Мерчисон. В первом столбце перечислены аминокислоты содержащиеся в белках, Во втором столбце приведены типичные результаты экспериментов Миллера (из обзора [63]). Эти данные были получены, когда через метан (336 мМ) в присутствии азота и воды пропускали искровой разряд. Суммарный выход аминокислот (включая те, которые не содержатся в белках) по углероду был равен 1,9%, соответствующие выходы глицина и аланина — 0,26 и 0,71%. Аналогичные результаты были получены и в других условиях, причем в наибольшем количестве из природных аминокислот присутствовали обычно Gly, Ala, Asp и Val. Данные по со-держанию аминокислот в метеорите получены Оро и др. [70] и Квенволденом и др. [69]. Во всех случаях D-изомеры составляли почти точно 50%. Другие ссылки можно найти в работе [63].

Соединение Выход, мкМ мкг на 1 г метеорита

Глицин 440 6

Алании 790 3

Аспарагиновая кислота 34 2

Валин 19,5 2

Лейцин 11,3

Глутаминовая кислота 7,7 3

Серии 5,0

Изолейцин 4,8

Треонин 1 1,6

Пролин 1,5 1

кодированы раньше всех, сразу же после того, как сформировались химические механизмы активации.

В таком случае первыми предбиологическими полипептидами— как инструктированными, так и не-инструктированными — были, вероятно, в основном, сополимеры Gly—Ala со случайными замещениями

1 Включая аллотреонни.

другими аминокислотами, среди которых, по-видимому, встречались и такие, которые в конечном счете так и не стали кодироваться.

Соответствие между распространенностями природных аминокислот и очередностью их сопоставления первым четырем кодонам поразительно. Следует подчеркнуть, что наш выбор кодонов основан исключительно на аргументах, относящихся к структуре нуклеиновых кислот. Не только первые четыре кодона с GC-рамкой точно отвечают распространенностям соответствующих аминокислот, но и четыре следующих RNY-кодона сопоставляются именно с теми аминокислотами, которые — за исключением аспараги-на — представлены в таблице Миллера со значительными выходами. Однако возникает вопрос — является ли соответствие ААс аспарагину первичным или же (как подсказывает близкое сходство с кодоном лизина) этот кодон сначала отвечал одной из низших гомологичных диаминокислот, которые в таблице Миллера имеют обращенный порядок выходов по сравнению с аспарагиновой кислотой (а, у-диамино-масляная кислота) и глутаминовой кислотой (а, Р-диаминопропионовая кислота). Следует признать, что в отсутствие дополнительных данных все предположения по этому поводу могут носить только спекулятивный характер.

В этой связи важны также некоторые новые результаты, полученные из анализа аминокислотных последовательностей нуклеотид-связывающих ферментов, которые, по-видимому, существовали еще более 3• 109 лет назад в доклеточных условиях [71, 72]. Эти данные позволяют предположить наличие последовательности-предшественника нуклеотид-свя-зывающей поверхности, которая включала аминокислоты валин, аспарагиновую (и глутаминовую) кислоты, аланин и глицин, а кроме того, изолейцин, лизин и треонин (хотя эти данные в действительности относятся к более поздней стадии доклеточной эволюции, нежели та, которая обсуждается в этой работе).

XV. Гиперциклическая организация раннего аппарата трансляции

Любая модель эволюции раннего кода и аппарата трансляции должна удовлетворять условиям, в которых тРНК-подобные адапторы и предшественники генов (или информационных РНК) для различных ферментативных факторов могли бы не только сосуществовать, но и согласованно развиваться и эволюционировать к оптимальному функционированию. В частях А и Б было показано, что такая самоорганизация требует наличия циклически замкнутых реакционных связей между всеми партнерами, если только они не могут структурно интегрироваться в одну репликативную единицу. В этом разделе мы попытаемся показать, как реалистические модели кода связаны с гиперциклической организацией и как такие системы могут эволюционировать. Очевидная проблема, связанная с гиперциклом,— это проблема его возникновения. Предпосылкой гиперциклической организации является, по-видимому, наличие в достаточном количестве всех компонентов гиперцикла. Говоря более научным языком, для возникновения гиперцикла — сети реакций высокого порядка — требуется его «нуклеация» по какому-нибудь механизму высоко

страница 32
< К СПИСКУ КНИГ > 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41

Скачать книгу " Гиперцикл. Принципы организации макромолекул" (2.15Mb)


[каталог]  [статьи]  [доска объявлений]  [обратная связь]

п»ї
Rambler's Top100 Химический каталог

Copyright © 2009
(11.12.2017)